JP2016087504A

JP2016087504A - 淡水化システム及び淡水化方法

Info

Publication number: JP2016087504A
Application number: JP2014221946A
Authority: JP
Inventors: 創生田; So Ikuta
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2014-10-30
Filing date: 2014-10-30
Publication date: 2016-05-23

Abstract

【課題】小さなエネルギで容易に淡水を取り出す淡水化システム等を提供する。【解決手段】淡水化システムＳは、炭素膜である正浸透膜１２を有し、一次側１ａに被処理水が供給され、二次側にエタノール、エチレンオキサイド、プロピレンオキサイド、及びブチレンオキサイドのうち少なくとも一つを含むドロー液が供給され、一次側１ａから正浸透膜１２を介して二次側１ｂに水を移動させる正浸透膜モジュール１０と、希釈ドロー液に対して加熱及び／又は減圧を行うことによって、希釈ドロー液からドロー液を分離して淡水を得るドロー液分離部２０と、ドロー液分離部２０によって分離されたドロー液と、正浸透膜モジュール１０の二次側１ｂから供給される希釈ドロー液と、を混合してなるドロー液を正浸透膜モジュール１０の二次側１ｂに戻すドロー液供給部３０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、正浸透膜を用いて被処理水を淡水化する淡水化システム等に関する。

近年、世界的な気候変動や水不足の影響によって水のニーズが高まりつつあり、市場規模の拡大が見込まれている。特に、浸透圧の差を利用して、一次側の被処理水から正浸透膜を介して二次側に水を流入させる淡水化システムが注目されている。
このような正浸透を利用する淡水化システムでは、逆浸透処理を行う淡水化システムのように被処理水を高圧で圧送する必要がないため、高圧ポンプや高耐圧の配管を設ける必要がなく、設備費用や電力コストが安価になるという利点がある。

また、正浸透を利用する淡水化システムでは、正浸透膜の面方向において透過流束（Ｆｌｕｘ）が略均一になるため、透過流束の平均値（平均Ｆｌｕｘ）を高く設定できるとともに、正浸透膜を長期間に亘って使用できるという利点もある。このような正浸透を利用する技術として、例えば、以下に示すものが知られている。

すなわち、特許文献１には、被処理水中の水を半透膜を介して誘導溶液に移動させ、水で希釈された希釈誘導溶液を得る順浸透工程と、希釈誘導溶液を蒸留塔に供給して浄水を得る蒸留工程と、冷却によって誘導溶液の蒸気を凝縮させる冷却再生工程と、を含む水処理方法について記載されている。

特開２０１４−９７４８３号公報

特許文献１に記載の技術では、誘導溶液としてｔｅｒｔ−ブタノールを用いているが、このｔｅｒｔ−ブタノールが正浸透膜に接触することで、場合によっては、正浸透膜の劣化を招く可能性がある。また、近年では、特に飲み水として使用できるような純度の高い淡水を小さなエネルギで取り出す技術が求められている。

そこで、本発明は、小さなエネルギで容易に淡水を取り出す淡水化システム等を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明に係る淡水化システムは、炭素膜である正浸透膜を有し、一次側に被処理水が供給され、二次側にエタノール、エチレンオキサイド、プロピレンオキサイド、及びブチレンオキサイドのうち少なくとも一つを含むドロー液が供給され、被処理水とドロー液との浸透圧の差によって、一次側から前記正浸透膜を介して二次側に水を移動させて前記ドロー液を希釈ドロー液にする正浸透膜モジュールと、前記正浸透膜モジュールの二次側から供給される希釈ドロー液に対して、加熱及び／又は減圧を行うことによって、希釈ドロー液からドロー液を分離して淡水を得るドロー液分離部と、前記ドロー液分離部によって分離されたドロー液と、前記正浸透膜モジュールの二次側から供給される希釈ドロー液と、を混合してなるドロー液を、前記正浸透膜モジュールの二次側に戻すドロー液供給部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、小さなエネルギで容易に淡水を取り出す淡水化システム等を提供できる。

本発明の一実施形態に係る淡水化システムの構成図である。

≪実施形態≫
＜淡水化システムの構成＞
図１は、本実施形態に係る淡水化システムＳの構成図である。
淡水化システムＳは、正浸透膜モジュール１０の一次側１ａに供給される被処理水から、正浸透膜１２を介して二次側１ｂのドロー液に水を移動させ、水で希釈されたドロー液から淡水を得るシステムである。
なお、被処理水として、海水、工業排水、下水、海水淡水化で得られる濃縮水（塩分濃度の比較的高い海水）、天然ガスや石油の採掘に伴う随伴水等が挙げられる。

図１に示すように、淡水化システムＳは、正浸透膜モジュール１０と、ドロー液分離部２０と、ドロー液供給部３０と、を備えている。

正浸透膜モジュール１０は、容器１１と、この容器１１を一次側１ａと二次側１ｂとに仕切る正浸透膜１２と、を備えている。容器１１は、一次側１ａに供給される被処理水と、二次側１ｂに供給されるドロー液と、を一時的に貯留するものである。なお、容器１１は、箱状であってもよいし、円筒状であってもよい。

正浸透膜１２は、被処理水に含まれる水を選択的に透過させ、水以外の不純物（例えば、ナトリウムイオン、塩化物イオン）を透過させない半透膜であり、容器１１に設置されている。なお、本実施形態では、正浸透膜１２として炭素膜を用いている。炭素膜として、例えば、炭素原子が網目状に結合してなる多孔性炭素膜や、主として炭化水素又は炭素の同素体を含む非晶質（アモルファス）の硬質膜が挙げられる。
この炭素膜は、有機溶媒への耐性が非常に高いという特長を有している。したがって、後記するように、二次側１ｂに供給されるドロー液として有機溶媒を用いても、ドロー液との接触で正浸透膜１２が劣化することはほとんどない。

正浸透膜モジュール１０の一次側１ａには、被処理水が配管ｋ１を介して供給される。正浸透膜モジュール１０の二次側１ｂには、被処理水よりも浸透圧が高いドロー液が配管ｋ２を介して供給される。そして、一次側１ａの被処理水に含まれる水が、浸透圧の差によって二次側１ｂに移動するようになっている（正浸透工程）。そして、被処理水が正浸透膜１２を介して移動する際に被処理水が濾過され、不純物が取り除かれる。

二次側１ｂのドロー液は、有機溶媒を水に混和させた高濃度の溶液である。水に対するドロー液の質量比（例えば、７０％）は、所定の使用温度・使用圧力下においてドロー液の浸透圧が被処理水よりも高くなるように設定されている。

なお、被処理水が海水（例えば、塩分濃度３．５％）である場合、前記した有機溶媒の沸点未満の温度において浸透圧が５［ＭＰａ］以上、より好ましくは１０［ＭＰａ］以上のドロー液を正浸透膜モジュール１０の二次側１ｂに供給することが好ましい。これによって、被処理水の浸透圧よりもドロー液の浸透圧を充分に高くすることができ、所定の透過流束の水が一次側１ａから二次側１ｂに移動するからである。
同様に、被処理水が下水である場合、前記した有機溶媒の沸点未満の温度において浸透圧が０．３［ＭＰａ］以上、より好ましくは１［ＭＰａ］以上のドロー液を正浸透膜モジュール１０の二次側１ｂに供給することが好ましい。

本実施形態では、二次側１ｂのドロー液として、液体状態で水に混和しやすい有機溶媒を用いている。ドロー液として水に混和しやすい有機溶媒を用いることで、一次側１ａから二次側１ｂへの水の移動（ドロー液への混和）が促されるからである。これによって、二次側１ｂにドロー液を大流量で供給せずとも、正浸透膜１２における透過流束を比較的高い値に維持できる。
さらに、二次側１ｂのドロー液として、水よりも低沸点であり、水と混和した状態から分離しやすい有機溶媒を用いることが好ましい。これは、後記するドロー液分離部２０において、水とドロー液との沸点の違いを利用して両者を分離するためである。

このような性質を有する有機溶媒（ドロー液）として、エタノール又はアルキレンオキサイドを用いることができる。エタノールは、液体状態で水に混和しやすく、また、その沸点は１ａｔｍの環境下で７８．３℃（＜１００℃）である。

アルキレンオキサイド（アルキレンオキシドともいう）は、分子内にエポキシ環を少なくとも１つ有する化合物の総称である。アルキレンオキサイドには、エチレンオキサイド（Ｃ₂Ｈ₄Ｏ）、プロピレンオキサイド（Ｃ₃Ｈ₆Ｏ）、及びブチレンオキサイド（Ｃ₄Ｈ₈Ｏ）が含まれる。
エチレンオキサイド、プロピレンオキサイド、及びブチレンオキサイドは、いずれも液体状態で水に混和しやすい。また、１ａｔｍの環境下で、エチレンオキサイドの沸点は１０．７℃であり、プロピレンオキサイドの沸点は３４．０℃であり、ブチレンオキサイドの沸点は６３．０℃である。つまり、アルキレンオキサイドに属する有機溶媒はいずれも、水よりも低沸点である。

なお、ドロー液として、エタノール、エチレンオキサイド、プロピレンオキサイド、及びブチレンオキサイドから選択される複数の有機溶媒を混合したものを用いてもよい。

一次側１ａの被処理水に含まれる水が正浸透膜１２を介して二次側１ｂに移動すると、一次側１ａでは被処理水が濃縮され、二次側１ｂではドロー液が希釈される。
一次側１ａにおいて濃縮された被処理水（濃縮水）は、配管ｋ３を介して排出される。二次側１ｂで希釈されたドロー液は、ポンプ４１の駆動によって、配管ｋ４を介してドロー液分離部２０に供給されるとともに、配管ｋ４（一部）及び配管ｋ５を介してドロー液供給部３０にも供給される。

以下では、二次側１ｂで水によって希釈されたドロー液を「希釈ドロー液」と記す。
図１に示すドロー液分離部２０は、正浸透膜モジュール１０の二次側１ｂから供給される希釈ドロー液を加熱することで、希釈ドロー液からドロー液を分離して淡水を得る機能を有している（ドロー液分離工程）。ドロー液分離部２０は、希釈ドロー液を一時的に貯留する第一貯留槽２１と、希釈ドロー液を加熱する加熱手段２２と、を備えている。なお、加熱手段２２として、ボイラ、電熱器等を用いることができる。

前記したように、ドロー液に含まれる有機溶媒は、水よりも低沸点である。したがって、加熱手段２２によって希釈ドロー液が加熱されると、水の沸点に達する前にドロー液が気化する。なお、第一貯留槽２１に貯留されている希釈ドロー液は、ドロー液の沸点よりも高く、かつ、水の沸点よりも低い温度で維持されている。このように水よりも低沸点のドロー液を用いているため、比較的小さなエネルギで、希釈ドロー液からドロー液を分離する（つまり、淡水を得る）ことができる。

第一貯留槽２１において気化したドロー液は、配管ｋ６を介してドロー液供給部３０に向かう。なお、図１では図示を省略したが、配管ｋ６には、気化したドロー液を冷やす熱交換器（コンデンサ）が設置されている。この熱交換器においてドロー液が凝縮し、凝縮したドロー液が、ポンプ４２の駆動によってドロー液供給部３０に供給される。

ちなみに、第一貯留槽２１内の希釈ドロー液が１００℃未満で維持されていた場合でも、ドロー液とともに水が共沸し、水分を含むドロー液が配管ｋ６を介してドロー液供給部３０に流入する可能性がある。この場合、ドロー液供給部３０に流入した水は、配管ｋ２、正浸透膜モジュール１０の二次側１ｂ、及び配管ｋ４を介してドロー液分離部２０に還流する。つまり、ドロー液供給部３０に向かうドロー液に水が混在していても支障はなく、第一貯留槽２１内の希釈ドロー液から略１００％の回収率でドロー液を回収できるように希釈ドロー液を加熱すればよい。

また、前記した共沸が起こる場合でも、ドロー液供給部３０への単位時間当たりの水の流入量はわずかである。したがって、ドロー液供給部３０に貯留されているドロー液は、比較的高い濃度で維持される。つまり、正浸透膜モジュール１０の一次側１ａと二次側１ｂの浸透圧の差が小さくなることを抑制し、正浸透膜１２において所定の透過流束を維持できる。

第一貯留槽２１では、前記したように、ドロー液と水との沸点の違いによって、第一貯留槽２１に供給されるドロー液の略全てが気化する。言い換えると、ドロー液を気化させることで、第一貯留槽２１の底部から純度の高い淡水を得ることができる。この淡水は、配管ｋ７を介して貯水槽（図示せず）に供給される。

図１に示すドロー液供給部３０は、ドロー液分離部２０によって分離されたドロー液と、正浸透膜モジュール１０の二次側１ｂから供給される希釈ドロー液と、を混合してなるドロー液を、正浸透膜モジュール１０の二次側１ｂに戻す機能を有している（ドロー液供給工程）。

ドロー液供給部３０は、ドロー液を一時的に貯留する第二貯留槽３１と、ドロー液を撹拌する撹拌機３２と、を備えている。第二貯留槽３１には、正浸透膜モジュール１０の二次側１ｂから配管ｋ４（一部）及び配管ｋ５を介して希釈ドロー液が供給されるとともに、ドロー液分離部２０から配管ｋ６を介して高濃度のドロー液が供給される。そして、撹拌機３２による撹拌によってドロー液と水とが混和し、ドロー液の濃度が均一化される。第二貯留槽３１内のドロー液は、ポンプ４１の駆動によって、配管ｋ２を介して正浸透膜１２の二次側１ｂに供給される。

＜効果＞
本実施形態では、正浸透膜１２として炭素膜を用いているため、有機溶媒であるドロー液に接触しても正浸透膜１２が劣化することはほとんどない。つまり、正浸透膜１２を長期間に亘って使用できるため、淡水化システムＳの設備コストを軽減できる。

また、ドロー液として水と混和しやすい有機溶媒を用いている。したがって、正浸透膜１２を介した水の移動（ドロー液への混和）が促され、正浸透膜１２での透過流束を比較的大きな値で維持できる。

また、ドロー液は有機溶媒であるから、第一貯留槽２１内でドロー液の分子がイオン化して水分子に結合することはない。つまり、ドロー液分離部２０において希釈ドロー液を過剰に加熱することなく、比較的低い温度でドロー液を気化させることができる。したがって、希釈ドロー液の加熱に要する運転コストを従来よりも大幅に軽減できる。

また、ドロー液分離部２０では、ドロー液の沸点を超える温度まで希釈ドロー液を加熱することで、非常に高い回収率でドロー液が回収される。言い換えると、ドロー液分離部２０からは、飲料用としてそのまま使える程に純度の高い淡水を容易に得ることができる。

また、ドロー液分離部２０では、水との沸点の違いによって略１００％のドロー液が気化し、さらに熱交換器（図示せず）で凝縮したドロー液がドロー液供給部３０に供給される。つまり、ドロー液が系外に排出されることはほとんどないため、ドロー液を補充する必要がない（ドロー液を補充するとしても、ごく少量で足りる）。したがって、淡水化システムＳの維持に要するコストを軽減できる。

≪変形例≫
以上、本発明に係る淡水化システムＳについて実施形態により説明したが、本発明はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変更を行うことができる。
例えば、実施形態では、ドロー液分離部２０において希釈ドロー液を加熱することでドロー液を気化させる場合について説明したが、これに限らない。すなわち、前記した加熱に代えて、減圧を行うことでドロー液を気化させてもよい。この場合、ドロー液分離部２０は、第一貯留槽２１内を減圧する「減圧手段」（図示せず）を備えている。この減圧手段によって第一貯留槽２１内を減圧することでドロー液の沸点が下がり、その種類によっては、常温でもドロー液を気化させることができる。

また、前記した加熱手段２２と減圧手段（図示せず）とを併用し、減圧手段によって第一貯留槽２１内を減圧した上で、ドロー液が気化する所定温度まで、加熱手段２２によって希釈ドロー液を加熱するようにしてもよい。

また、淡水に含まれるごくわずかなドロー液を膜ろ過する「膜分離手段」（図示せず）を、配管ｋ７に設置するようにしてもよい。膜分離手段として、例えば、ＮＦ膜（Nano Filtration）、ＲＯ膜（Reverse Osmosis）を用いることができる。膜分離手段は、配管ｋ７を介して流入する淡水からドロー液を分離して高純度の水を回収するとともに、分離したドロー液をドロー液供給部３０に戻すように設置されている。これによって、実施形態で説明した淡水化システムＳよりもさらに高純度の淡水を得ることができる。

Ｓ淡水化システム
１０正浸透膜モジュール
１ａ一次側
１ｂ二次側
１１容器
１２正浸透膜
２０ドロー液分離部
２１第一貯留槽
２２加熱手段
３０ドロー液供給部
３１第二貯留槽
３２撹拌機
４１，４２ポンプ

Claims

炭素膜である正浸透膜を有し、一次側に被処理水が供給され、二次側にエタノール、エチレンオキサイド、プロピレンオキサイド、及びブチレンオキサイドのうち少なくとも一つを含むドロー液が供給され、被処理水とドロー液との浸透圧の差によって、一次側から前記正浸透膜を介して二次側に水を移動させて前記ドロー液を希釈ドロー液にする正浸透膜モジュールと、
前記正浸透膜モジュールの二次側から供給される希釈ドロー液に対して、加熱及び／又は減圧を行うことによって、希釈ドロー液からドロー液を分離して淡水を得るドロー液分離部と、
前記ドロー液分離部によって分離されたドロー液と、前記正浸透膜モジュールの二次側から供給される希釈ドロー液と、を混合してなるドロー液を、前記正浸透膜モジュールの二次側に戻すドロー液供給部と、を備えること
を特徴とする淡水化システム。
正浸透膜モジュールの一次側に被処理水を供給し、前記正浸透膜モジュールの二次側にエタノール、エチレンオキサイド、プロピレンオキサイド、及びブチレンオキサイドのうち少なくとも一つを含むドロー液を供給し、被処理水とドロー液との浸透圧の差によって、炭素膜である正浸透膜を介して一次側から二次側に水を移動させて前記ドロー液を希釈ドロー液にする正浸透工程と、
前記正浸透膜モジュールの二次側から供給される希釈ドロー液に対して、加熱及び／又は減圧を行うことによって、希釈ドロー液からドロー液を分離して淡水を得るドロー液分離工程と、
前記ドロー液分離工程によって分離されたドロー液と、前記正浸透膜モジュールの二次側から供給される希釈ドロー液と、を混合してなるドロー液を、前記正浸透膜モジュールの二次側に戻すドロー液供給工程と、を含むこと
を特徴とする淡水化方法。